CN112731774A - 微纳光学器件制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种微纳光学器件制造方法，该方法包括：利用半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆上形成第一微纳结构；在晶圆上涂敷光刻胶；将第一区域中的光刻胶完全移除，以露出至少部分第一微纳结构，并对第二区域中的光刻胶进行灰度曝光，以在第二区域的光刻胶上形成第二微纳结构；以及将第一和第二微纳结构转印到待加工材料的表面上。根据本发明实施例，通过在已经经过半导体光刻刻蚀工艺处理的晶圆上涂覆灰度曝光用的光刻胶并选择性地进行部分区域的完全除胶和部分区域的灰度曝光，在一个统一的制作流程中融合了两种不同的微纳结构制作工艺；相应地，可以实现不同的微纳结构的构造制作。
Description
技术领域
本发明总体上涉及微纳光学器件制造技术，具体地涉及集成了不同类型的微纳光学结构的微纳光学器件的制造方法。
背景技术
微纳光学是目前光电子产业的重要发展方向，在光通信、光互联、光存储、半导体器件等诸多领域，发挥了巨大作用。微纳光学元件，通常而言，是指通过光刻、电沉积或微纳米压印等手段，在材料中引入微纳光学结构从而实现新型光学功能的微纳米级别的元件。微纳光学元件例如包括DOE(衍射光学元件,Diffractive Element)、MLA(微透镜阵列，Micro Lens Array)和超表面(Metasurface)光学器件等。
在一些应用中，可以将不同的微纳光学元件集成在一起以形成具有集成功能的微纳光学器件。然而，不同的微纳光学元件的结构和尺寸特征经常具有诸多的差异，从而在加工工艺上经常也是不同的。例如，DOE的微结构表面形貌角度大致垂直(通常大于87°)，为台阶状形貌，并且微结构横向尺寸和纵向深度通常为亚微米级或几个微米的量级，用于制造DOE的模版可通过成熟的半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆上制作；而MLA类匀光片的微结构形貌多为曲面，单个微透镜面形的横向尺寸和纵同深度一般为十几微米至几十微米，甚至上百微米，透镜面型可以通过激光直写曝光等工艺在光刻胶上曝光显影微结构，以形成用于制造MLA的模版。可以看到，单一的加工工艺不满足不同微纳光学结构的精度及尺寸范围要求，现有技术条件下中，难以在同一模版上同时制作两种结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳光学器件制造方法，其能够在同一模版上制作两种不同的微纳光学结构，至少部分地弥补了现有技术中的不足。
根据本发明的一个方面，提供了一种微纳光学器件制造方法，该方法包括：
利用半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆的至少部分表面上形成第一微纳结构；
在晶圆上涂敷光刻胶，光刻胶覆盖在形成有第一微纳结构的晶圆的整个表面上；
对光刻胶进行光刻，其中将第一区域中的光刻胶完全移除，以露出至少部分第一微纳结构，并对第二区域中的光刻胶进行灰度曝光，以在第二区域的光刻胶上形成第二微纳结构；以及
将第一微纳结构和第二微纳结构转印到待加工材料的表面上。
优选地，第一微纳结构形成在晶圆的整个表面上。
优选地，第一区域与第二区域毗邻。
优选地，第一微纳结构具有台阶状形貌；第二微纳结构具有曲面形貌。在有利的实施例中，第一微纳结构可以为对应于衍射光学元件表面结构的台阶状形貌，第二微纳结构可以为对应于微透镜阵列的曲面形貌。
在有利的实施例中，将第一微纳结构和第二微纳结构转印到待加工材料的表面上的步骤可以包括：将第一微纳结构和第二微纳结构转印到柔性基材上以形成柔性模版；以及利用柔性模版对待加工材料的表面进行转印。
在有利的实施例中，将第一微纳结构和第二微纳结构转印到柔性基材上以形成柔性模版的步骤可以包括：在形成有第一微纳结构和第二微纳结构的晶圆上进行电镀，得到具有与第一微纳结构和第二微纳结构对应的表面形貌的镍板；以及利用镍板对柔性基材进行压印，得到柔性模版。
在另一些有利的实施例中，将第一微纳结构和第二微纳结构转印到柔性基材上以形成柔性模版的步骤包括：直接利用形成有第一微纳结构和第二微纳结构的晶圆通过浇注或压印形成柔性模版。
优选地，柔性基材为PDMS材料。
优选地，待加工材料为形成在玻璃或PET基底上的聚合物材料。
根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法中，通过在已经经过半导体光刻刻蚀工艺处理的晶圆上涂覆灰度曝光用的光刻胶并选择性地进行部分区域的完全除胶和部分区域的灰度曝光，在一个统一的制作流程中融合了两种不同的微纳结构制作工艺；相应地，利用两种不同的微纳结构制作工艺，可以实现不同的微纳结构的构造制作。根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法实现了很好的工艺融合，流程简单，成本较低，并且能够制造提供集成度高的微纳光学器件。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法的流程图；
图2为根据本发明实施例在晶圆上形成第一和第二微纳光学结构的示例性过程中的结构截面图；
图3为根据本发明实施例在晶圆上形成第一和第二微纳光学结构的示例性过程中的晶圆俯视图；
图4示意性地示出图3所示示例性过程中在晶圆上形成第一微纳光学结构的区域与灰度曝光中的第一和第二区域的示例；
图5为根据本发明实施例在晶圆上形成第一和第二微纳光学结构的另一示例性过程中的晶圆俯视图；
图6示意性地示出图5所示示例性过程中在晶圆上形成第一微纳光学结构的区域与灰度曝光中的第一和第二区域的示例；
图7为根据本发明实施例在晶圆上形成第一和第二微纳光学结构的又一示例性过程中的晶圆俯视图；
图8示意性地示出图7所示示例性过程中在晶圆上形成第一微纳光学结构的区域与灰度曝光中的第一和第二区域的示例；
图9示出了灰度曝光中的第一区域和第二区域的构造的另一示例；
图10为可用于图1所示方法的、将晶圆上的第一和第二微纳结构转印到待加工材料表面上的一种方法的流程图；
图11为图10所示方法中得到的阶段性结构的示例性截面图；及
图12为可利用根据本发明实施例的方法制造的微纳光学器件的示例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法100的流程图。如图1所示，微纳光学器件制造方法100包括以下处理：
S110：利用半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆的至少部分表面上形成第一微纳结构；
S120：在晶圆上涂敷光刻胶，使得光刻胶覆盖在包括形成有第一微纳结构的晶圆的整个表面上；
S130：对光刻胶进行光刻，其中将第一区域中的光刻胶完全移除，以露出至少部分第一微纳结构，并对第二区域中的光刻胶进行灰度曝光，以在第二区域的光刻胶上形成第二微纳结构；以及
S140：将第一微纳结构和第二微纳结构转印到待加工材料表面上。
为了便于理解，在图2中示出了利用方法100在晶圆上形成第一和第二微纳光学结构的示例性过程中的结构截面图。结合参照图1和图2，在处理S110中，利用半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆10上形成第一微纳结构11。如图2的图形(2a)所示，第一微纳结构11可以具有台阶状形貌11a；仅作为示例，第一微纳结构11可以具有对应于DOE元件表面结构的台阶状形貌。
如图2的图形(2b)所示，处理S120中，在形成有第一微纳结构11的晶圆10上涂敷光刻胶20，使得光刻胶20覆盖在形成有第一微纳结构11的晶圆10的整个表面上。光刻胶涂敷例如通过旋涂方式进行。光刻胶例如可以选择适合于灰度曝光用的厚胶。
接下来，在处理S130中，对光刻胶20进行光刻，在晶圆10表面的不同区域中实现不同的光刻效果，其中在第一区域A中将光刻胶完全移除，露出该区域中的第一微纳结构11；在第二区域B中对光刻胶进行灰度曝光，从而在第二区域B的光刻胶20上形成第二微纳结构21。对于第一区域A和第二区域B中的光刻胶的处理可以是一次灰度曝光中完成的，只是不同区域中的灰度曝光的程度不同，在第一区域A中曝光强度足以将光刻胶全部移除，而在第二区域B中的曝光强度在光刻胶20中形成了第二微纳结构21。当然，处理S130中也可以进行不止一次曝光，以获得第一区域A和第二区域B中的结构。“灰度曝光”可以通过例如激光直写曝光、灰度掩膜曝光或者双光子干涉曝光等技术来实现。如图2的图形(2c)所示，第二微纳结构21可以具有曲面形貌21a；仅作为示例，第二微纳结构21可以具有对应于MLA的曲面形貌。
最后，在处理S140中将第一微纳结构11和第二微纳结构21转印到待加工材料表面上，以制造具有对应于第一微纳结构11和第二微纳结构21的微纳光学元件的微纳光学器件50(参见图12)。这将在下文中结合图10至图12更加详细地介绍。
在图2所示示例中，表面形貌为第一微纳结构11的第一区域A与表面形貌为第二微纳结构21的第二区域B彼此毗邻；这样，通过处理S140中转印处理制造得到的微纳光学器件中，对应于第一微纳结构11和第二微纳结构21的微纳光学元件之间可以彼此毗邻地集成在一起，有利于减小器件尺寸以及/或者提高器件的光学性能，例如减少由于微纳光学元件之间的间隙区域的漏光而造成的杂散光。
在晶圆10上可以包括多个第一区域A和多个第二区域B(参见图3、图5和图7)，并且在处理S110中第一微纳结构11可以形成在整个晶圆10的表面上，也可以仅仅形成在晶圆10的部分表面上，这会对后续处理以及得到的结构有所影响。为了便于理解，以下将参照图3至图9结合不同的实施例来进行说明。应该注意的是，下文中讨论的第一区域A和第二区域B的位置关系针对的是其上的微纳结构要被转印到同一微纳光学器件上的、相邻的第一区域A和第二区域B。
图3为利用方法100在晶圆上形成第一和第二微纳结构的示例性过程的示意图，其中图形(3a)、(3b)和(3c)分别示出了对应于方法100的处理S110、S120和S130中得到的结构的晶圆俯视图。如图形(3a)所示，在处理S110中第一微纳结构11形成于晶圆10的整个表面上；在处理S130中，在第一区域A中移除光刻胶20，露出该区域中的第一微纳结构11，并在第二区域B中对光刻胶20进行灰度曝光形成第二微纳结构21。在第一区域A和第二区域B以外的区域C(见图4)的光刻胶20上可以形成或不形成其它结构，本发明在这方面不受限制。
图4中放大地示出图3所示示例性过程中在晶圆上形成第一微纳光学结构的区域与灰度曝光中的第一和第二区域的示例。如图4中图形(4a)所示，在处理S110中在晶圆10的整个表面上形成第一微纳结构11；如图4中图形(4b)所示，形成有第二微纳结构21的第二区域B与第一区域A毗邻/邻接。而且，由于第一微纳结构11初始覆盖整个晶圆表面，所以可以知道，第二微纳结构21叠置在部分的第一微纳结构11之上。
类似地，图5和图6示出了利用方法100在晶圆上形成第一和第二微纳结构的另一示例性过程。如图5和图6所示，在处理S110中第一微纳结构11形成于晶圆10的多个局部区域上，所述局部区域对应于第一区域A；在处理S130中，移除第一区域A中的光刻胶20，露出第一微纳结构11，并在第二区域B中对光刻胶20进行灰度曝光形成第二微纳结构21。第一区域A和第二区域B以外的区域C(见图6)的光刻胶20可以都移除或部分移除，也可以保留，或者可以在光刻胶20上形成其它结构；然而本发明在这方面不受限制。如图6中更加清楚地示出的，第一区域A和第二区域B可以是相邻而不邻接/毗邻的。由于在处理S110中第一微纳结构11仅形成在目标的第一区域A上，所以要在处理S130中实现第二区域B与第一区域A的无偏差对齐较为困难，这种情况下第一区域A和第二区域B可以是不毗邻，然而本发明并不限于此，在其它的实施例中，通过精细对准也可以将第一区域A和第二区域B制成为邻接/毗邻的。
类似地，图7和图8示出了利用方法100在晶圆上形成第一和第二微纳结构的又一示例性过程。如图7和图8所示，在处理S110中第一微纳结构11形成于晶圆10的多个局部区域上，所述局部区域大于第一区域A，例如包括第二区域B的至少一部分；在处理S130中，移除第一区域A中的光刻胶20，露出第一微纳结构11，并在第二区域B中对光刻胶20进行灰度曝光形成第二微纳结构21。这种情况下，可以将第一区域A和第二区域B以外的区域C(见图8)的光刻胶20保留，或者可以在光刻胶20上形成其它结构；然而本发明并不限于此。如图8中更加清楚地示出的，形成有第二微纳结构21的第二区域B与第一区域A毗邻/邻接。而且，由于第一微纳结构11初始覆盖的区域大于第一区域A，所以可以知道，第二微纳结构21部分地叠置在第一微纳结构11之上。
此外，图3至图8均将第一区域A和第二区域B示出为并排布置的矩形区域，然而本发明并不限于此。例如，图9示出了第一区域A和第二区域B的另一示例性构造，其中第一区域A包围第二区域B，并且第一区域A和第二区域B均为矩形区域。尽管未示出，但是可以理解，两个区域可以各自具有不同的形状，例如矩形和圆形等。
以上结合图2至图9对根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法100的处理S110、S120和S130做了详细介绍。下面将结合图10至图11介绍可用于方法100的处理S140的一种微纳转印方法200的流程图。
如图10所示，微纳转印方法200包括以下处理：
S210：在形成有第一微纳结构和第二微纳结构的晶圆上进行电镀，得到具有与第一微纳结构和第二微纳结构对应的表面形貌的镍板；
S220：利用镍板对柔性基材进行压印，得到柔性模版；以及
S230：利用柔性模版对待加工材料的表面进行转印。
图11以截面图示出了图10所示方法中得到的阶段性结构的示例，其中附图标记“31”所指为通过处理S210得到的镍板，镍板31的表面形貌与第一微纳结构11和第二微纳结构21(见图2中图形(2c))的表面形貌是互补的；附图标记“32”所指为通过处理S220得到的柔性模版；柔性模版32的表面形貌与镍板31的互补，从而与形成在晶圆10上的第一微纳结构11和第二微纳结构21相同的表面形貌。在处理S220中，用于形成柔性模版32的柔性基材例如可以为PDMS(聚二甲基硅氧烷，Polydimethylsiloxane)、PUA(聚氨酯丙烯酸酯，polyurethane acrylate)等。
尽管图10和图11中示出了首先通过电镀获得镍板，然后由镍板压印得到柔性模版，但是在另一些情况下，用于将形成在晶圆上的第一微纳结构和第二微纳结构转印到待加工产品上的微纳转印方法中也可以省略镍板，直接利用形成有第一微纳结构和第二微纳结构的晶圆通过浇注或压印形成柔性模版。此时，柔性模版具有与第一微纳结构和第二微纳结构互补的表面形貌。
然后，将柔性模版32上的微纳结构转印到待加工材料上，待加工材料41可以为形成在例如玻璃基底或者PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate)基底42上的聚合物材料，例如UV胶。图11的图形(11c)中示出了所得到的转印结构40的一个示例，其中材料41的表面形成有对应于第一微纳结构11和第二微纳结构21的形貌41a、41b。
为了制造出最终的微纳光学器件，在得到转印结构40之后还需要进行例如切割、装配、封装等工艺，这些可以通过已有的技术来实现，在此不再赘述。
最后，仅作为示例，在图12中示出了利用根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法100制造得到的微纳光学器件的一个示例。如图12所示，微纳光学器件50包括基底50a和形成在基底50a上的第一微纳光学元件51和第二微纳光学元件52。基底50a例如可以由转印结构40中的基底42构成，也可以进一步结合了其他基底结构。第一微纳光学元件51和第二微纳光学元件52分别由转印结构40中具有表面形貌41a和41b的部分构成，并且分别对应上述形成在晶圆10上的第一微纳结构11和第二微纳结构21。仅作为示例，第一微纳光学元件51和第二微纳光学元件52可以分别为DOE和MLA元件。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种微纳光学器件制造方法，包括：
利用半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆的至少部分表面上形成第一微纳结构；
在所述晶圆上涂敷光刻胶，所述光刻胶覆盖在形成有所述第一微纳结构的所述晶圆的整个表面上；
对所述光刻胶进行光刻，其中将第一区域中的所述光刻胶完全移除，以露出至少部分所述第一微纳结构，并对第二区域中的光刻胶进行灰度曝光，以在所述第二区域的所述光刻胶上形成第二微纳结构；以及
将所述第一微纳结构和第二微纳结构转印到待加工材料的表面上。
2.如权利要求1所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述第一微纳结构形成在所述晶圆的整个表面上。
3.如权利要求1或2所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述第一区域与所述第二区域毗邻。
4.如权利要求1或2所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述第一微纳结构具有台阶状形貌；所述第二微纳结构具有曲面形貌。
5.如权利要求4所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述第一微纳结构为对应于衍射光学元件表面结构的台阶状形貌，所述第二微纳结构为对应于微透镜阵列的曲面形貌。
6.如权利要求1或2所述的微纳光学器件制造方法，其中，将所述第一微纳结构和第二微纳结构转印到待加工材料的表面上的步骤包括：
将所述第一微纳结构和第二微纳结构转印到柔性基材上以形成柔性模版；以及
利用所述柔性模版对所述待加工材料的表面进行转印。
7.如权利要求6所述的微纳光学器件制造方法，其中，将所述第一微纳结构和第二微纳结构转印到柔性基材上以形成柔性模版的步骤包括：
在形成有所述第一微纳结构和第二微纳结构的所述晶圆上进行电镀，得到具有与所述第一微纳结构和第二微纳结构对应的表面形貌的镍板；以及
利用所述镍板对柔性基材进行压印，得到所述柔性模版。
8.如权利要求6所述的微纳光学器件制造方法，其中，将所述第一微纳结构和第二微纳结构转印到柔性基材上以形成柔性模版的步骤包括：
直接利用形成有所述第一微纳结构和第二微纳结构的所述晶圆通过浇注或压印形成所述柔性模版。
9.如权利要求6-8中任一项所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述柔性基材为PDMS材料。
10.如权利要求6-8中任一项所述微纳光学器件制造方法，其中，所述待加工材料为形成在玻璃或PET基底上的聚合物材料。
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